JP4375252B2 - Catalytic combustion device - Google Patents
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Description
本発明は燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部を備える触媒燃焼装置に関する。 The present invention relates to a catalytic combustion apparatus including a catalytic combustion unit that supports a catalyst for catalytic combustion of fuel gas.
従来、特許文献1には、メタノールとH2Oとを反応させ、H2及びCOを含む改質ガスを生成する技術が開示されている。このものでは、改質部の上流に設けた熱交換器において、COを含む可燃性ガスを触媒燃焼させる技術が開示されている。このものでは、触媒成分としてPdO及びPtが用いられている。
ところで、近年、改質原料から改質部により燃料ガスである改質ガスを生成し、起動時において改質ガスを触媒燃焼させる暖機部として機能する触媒燃焼部を設け、暖機部によりCO低減部を暖機させる改質装置が本出願人により開発されている(本出願時に未公知)。このものによれば、起動時において、改質部で生成された改質ガスを触媒燃焼部に導入し、触媒燃焼部で改質ガスを触媒燃焼させて燃焼熱により触媒燃焼部を昇温させ、これによりCO低減部を暖機することにしている。このものによれば、起動時において改質ガスを触媒燃焼させることによりCO低減部を暖機させることができる利点を有する。 By the way, in recent years, a reformed gas, which is a fuel gas, is generated from a reformed raw material by a reforming section, and a catalytic combustion section that functions as a warming-up section for catalytically burning the reformed gas at startup is provided. A reformer that warms up the reduction section has been developed by the present applicant (not known at the time of this application). According to this, at the time of start-up, the reformed gas generated in the reforming unit is introduced into the catalytic combustion unit, the reformed gas is catalytically combusted in the catalytic combustion unit, and the catalytic combustion unit is heated by the combustion heat. As a result, the CO reduction section is warmed up. According to this, there is an advantage that the CO reduction unit can be warmed up by catalytic combustion of the reformed gas at the time of startup.
しかしながら実際の運転では、改質ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が常に適切な範囲にあるのではなく、空燃比が大きすぎたり、小さすぎたりすることがある。この場合、触媒燃焼部における燃焼の制御が必ずしも容易ではない。更に、起動時において触媒の温度が低い、改質ガスには水蒸気や水滴などの湿分が存在していることが多い等の事情があるため、燃焼性の安定性も必ずしも充分ではなく、この意味においても触媒燃焼部における燃焼の制御が必ずしも容易ではない。この場合、燃焼により得られる発熱量も減少することから、暖機部として機能する触媒燃焼部における暖機性能の向上には限界がある。 However, in actual operation, the air-fuel ratio, which is the ratio of the combustible component contained in the reformed gas to the air, is not always in an appropriate range, and the air-fuel ratio may be too large or too small. . In this case, it is not always easy to control the combustion in the catalytic combustion section. Furthermore, the stability of combustibility is not always sufficient because the catalyst temperature is low at the start-up, and the reformed gas often contains moisture such as water vapor or water droplets. In terms of meaning, it is not always easy to control combustion in the catalytic combustion section. In this case, since the calorific value obtained by combustion is also reduced, there is a limit to improving the warm-up performance in the catalytic combustion section that functions as the warm-up section.
また、上記した特許文献1では、触媒燃焼させる触媒燃焼部としての機能を有する熱交換器としての機能を有する改質装置が開示されているが、触媒燃焼部における着火性、燃焼の安定性を図る制御形態については、言及されていない。
Further, in
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質ガス等の燃料ガスと空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部における燃焼の制御に容易な触媒燃焼装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and even when the air-fuel ratio, which is the ratio of fuel gas such as reformed gas and air, fluctuates or the temperature of the catalyst is low, the fuel gas It is an object of the present invention to provide a catalytic combustion device that is easy to control combustion in the catalytic combustion section even when moisture such as water vapor or water droplets is present in the catalyst.
(1)様相1の本発明に係る触媒燃焼装置は、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火操作後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化させず、
暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とするものである。
(1) A catalytic combustion apparatus according to the present invention of
When the warm-up target reaches a set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit.
触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部を着火させるときには、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作を行う。ここで、可燃範囲は火炎が伝播する範囲をいう。触媒燃焼は燃焼性が良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても着火できる。このため触媒燃焼部の着火時において、触媒燃焼されずに触媒燃焼部をすり抜けた燃料ガスが触媒燃焼部よりも下流配管において着火することが抑えられる。 When igniting the catalytic combustion unit, the catalytic combustion control unit performs an ignition operation for igniting the catalytic combustion unit in a region outside the combustible range in which the fuel gas and air burn while generating a flame. Here, the combustible range refers to the range in which the flame propagates. Since catalytic combustion has good combustibility, it can be ignited even in a region outside the combustible range. For this reason, when the catalyst combustion part is ignited, it is possible to prevent the fuel gas that has passed through the catalyst combustion part without being catalytically combusted from being ignited in the downstream pipe from the catalyst combustion part.
更に、着火操作後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。 Further, after the ignition operation, the catalytic combustion control unit executes an increase operation for increasing the amount of air per unit time supplied to the catalytic combustion unit as compared with that during the ignition operation. If the flow rate of air is increased in this way, the stability of catalytic combustion in the catalytic combustion section is improved, and further, the amount of heat generated and the temperature rise in the catalytic combustion section are ensured. Therefore, even when the air-fuel ratio, which is the ratio between the combustible component contained in the fuel gas and air, fluctuates, or when the catalyst temperature is low, moisture such as water vapor or water droplets is present in the fuel gas. It is easy to control the combustion of the catalytic combustion section even when the engine is in operation. In the increase operation described above, the change in the flow rate of the fuel gas per unit time supplied to the catalyst combustion unit is suppressed compared to that before the increase operation.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。According to the catalytic combustion apparatus of the present invention, when the warm-up target such as the purification unit reaches the set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit. This is because if the warm-up target reaches the set temperature or higher, the need for warm-up of the warm-up target is eliminated, and it is not necessary to continue the combustion in the catalytic combustion section.
(2)様相2の本発明に係る触媒燃焼装置は、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化させず、
暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とするものである。
(2) A catalytic combustion apparatus according to the present invention of
When the warm-up target reaches a set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit.
触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部を着火させるときには、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作を行う。触媒燃焼は燃焼性が良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても着火できる。このため触媒燃焼部の着火時において、触媒燃焼されずに触媒燃焼部をすり抜けた燃料ガスが触媒燃焼部よりも下流配管において着火することが抑えられる。 When igniting the catalytic combustion unit, the catalytic combustion control unit performs an ignition operation for igniting the catalytic combustion unit in a region outside the combustible range in which the fuel gas and air burn while generating a flame. Since catalytic combustion has good combustibility, it can be ignited even in a region outside the combustible range. For this reason, when the catalyst combustion part is ignited, it is possible to prevent the fuel gas that has passed through the catalyst combustion part without being catalytically combusted from being ignited in the downstream pipe from the catalyst combustion part.
更に、着火判定後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。 Further, after the ignition determination, the catalytic combustion control unit executes an increase operation for increasing the amount of air per unit time supplied to the catalytic combustion unit as compared with the time of the ignition operation. If the flow rate of air is increased in this way, the stability of catalytic combustion in the catalytic combustion section is improved, and further, the amount of heat generated and the temperature rise in the catalytic combustion section are ensured. Therefore, even when the air-fuel ratio, which is the ratio between the combustible component contained in the fuel gas and air, fluctuates, or when the catalyst temperature is low, moisture such as water vapor or water droplets is present in the fuel gas. It is easy to control the combustion of the catalytic combustion section even when the engine is in operation. In the increase operation described above, the change in the flow rate of the fuel gas per unit time supplied to the catalyst combustion unit is suppressed compared to that before the increase operation.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。According to the catalytic combustion apparatus of the present invention, when the warm-up target such as the purification unit reaches the set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit. This is because if the warm-up target reaches the set temperature or higher, the need for warm-up of the warm-up target is eliminated, and it is not necessary to continue the combustion in the catalytic combustion section.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、改質ガス等の燃料ガスと空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部における燃焼の制御に容易となる。
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、着火操作後または着火判定後に、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。このように空気の流量を増量させれば、触媒燃焼部における触媒燃焼の安定性も向上し、更に、触媒燃焼部における発熱量、昇温性も確保される。従って、燃料ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒の温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部の燃焼の制御に容易となる。上記した増量操作において、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの燃料ガスの流量を増量操作前に対して変化を抑える。このため増量操作は簡素化され、制御が容易となる。
According to the catalytic combustion apparatus of the present invention, even when the air-fuel ratio, which is the ratio of the fuel gas such as reformed gas and air, fluctuates, or when the catalyst temperature is low, water vapor or water droplets are added to the fuel gas. Even when moisture such as is present, it becomes easy to control combustion in the catalytic combustion section.
According to the catalytic combustion apparatus of the present invention, after the ignition operation or after the ignition determination, the catalytic combustion control unit executes an increase operation for increasing the amount of air per unit time supplied to the catalytic combustion unit as compared with the ignition operation. . If the flow rate of air is increased in this way, the stability of catalytic combustion in the catalytic combustion section is improved, and further, the amount of heat generated and the temperature rise in the catalytic combustion section are ensured. Therefore, even when the air-fuel ratio, which is the ratio between the combustible component contained in the fuel gas and air, fluctuates, or when the catalyst temperature is low, moisture such as water vapor or water droplets is present in the fuel gas. It is easy to control the combustion of the catalytic combustion section even when the engine is in operation. In the increase operation described above, the change in the flow rate of the fuel gas per unit time supplied to the catalyst combustion unit is suppressed compared to that before the increase operation. For this reason, the increase operation is simplified and the control becomes easy.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、暖機対象物に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。According to the catalytic combustion apparatus of the present invention, when the warm-up target such as the purification unit reaches the set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit. This is because if the warm-up target reaches the set temperature or higher, the need for warm-up of the warm-up target is eliminated, and it is not necessary to continue the combustion in the catalytic combustion section.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、燃料ガスを供給するガス供給部と、ガス供給部に連通して配設され燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを備える。ガス供給部としては、改質原料を改質させて改質ガスを燃料ガスとして生成する改質部とすることができる。改質ガスは、燃料ガスは水素を主要成分とするガスである形態を例示することができる。水素は比重及び粘性が小さく、比熱及び拡散係数が高く、更に燃焼速度が速く、燃焼により水分が生成されるという性質を有する。 The catalyst combustion apparatus according to the present invention includes a gas supply unit that supplies fuel gas, and a catalyst combustion unit that is disposed in communication with the gas supply unit and carries a catalyst that catalytically burns the fuel gas. The gas supply unit may be a reforming unit that reforms a reforming raw material and generates a reformed gas as a fuel gas. The reformed gas can be exemplified by a form in which the fuel gas is a gas containing hydrogen as a main component. Hydrogen has properties such that specific gravity and viscosity are small, specific heat and diffusion coefficient are high, combustion speed is high, and moisture is generated by combustion.
触媒燃焼部は、ガス供給部に連通して配設されており、燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する。触媒燃焼は、燃料ガスと酸素とを触媒の存在下で酸化反応させる燃焼であり、多くの場合には無炎燃焼の形態(場合によっては有炎燃焼)で燃焼し、触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼開始温度及び燃焼温度が低く、高温燃焼領域を発生させることなく燃焼させ得る。またガスの組成が変動するときであっても、着火性、燃焼性を安定化させ得る。なお、無炎燃焼は目視で炎が実質的に視認できない酸化燃焼の形態をいう。用いられる触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、オスミウム等の白金属金属、あるいは、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、銀等を含む金属酸化物のうちの少なくとも1種を例示できる。触媒は担体に担持されていてもよい。担体としてはペレット担体でも、モノリス担体でもよい。 The catalytic combustion unit is disposed in communication with the gas supply unit and carries a catalyst for catalytic combustion of the fuel gas. Catalytic combustion is a combustion in which fuel gas and oxygen are oxidized in the presence of a catalyst. In many cases, combustion is performed in a form of flameless combustion (in some cases, flammable combustion). Compared with combustion, the combustion start temperature and the combustion temperature are low, and combustion can be performed without generating a high-temperature combustion region. Even when the gas composition varies, the ignitability and combustibility can be stabilized. Flameless combustion refers to a form of oxidation combustion in which the flame is not visually visible. Examples of the catalyst used include at least one of white metal metals such as platinum, rhodium, palladium, ruthenium, iridium and osmium, or metal oxides including nickel, cobalt, iron, manganese, chromium and silver. it can. The catalyst may be supported on a carrier. The carrier may be a pellet carrier or a monolith carrier.
触媒燃焼部の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部が設けられている。触媒燃焼制御部は、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行する。着火は、酸化燃焼反応が開始され、持続するようになる現象をいう。着火の有無については、例えば、触媒燃焼部の温度がある温度上昇することにより着火と判定することができる。その温度は触媒、燃料ガス等の種類によって変わり得る。 A catalytic combustion control unit that controls catalytic combustion of the catalytic combustion unit is provided. The catalytic combustion control unit is a unit for igniting the catalytic combustion unit in a region outside the combustible range in which fuel gas and air burn while generating a flame, and a unit supplied to the catalytic combustion unit after the ignition operation or after the ignition determination An increase operation for increasing the amount of air per hour compared to the ignition operation is executed. Ignition refers to a phenomenon in which an oxidative combustion reaction starts and continues. About the presence or absence of ignition, it can determine with ignition, for example, when the temperature of a catalyst combustion part rises a certain temperature. The temperature can vary depending on the type of catalyst, fuel gas, and the like.
触媒燃焼における燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域においても触媒燃焼部を着火させることができる。着火操作においては、可燃範囲から外れる領域であるものの、可燃限界に近い領域で着火させることができる。着火を良好に行うためである。この場合、可燃限界で規定される単位時間当たりの空気流量[Nl/min]を相対比で100としたとき、改質用燃料(天然ガス13A)の流量として例えば40〜98、殊に50〜90に設定することができる。 Since the combustibility in the catalytic combustion is good, the catalytic combustion part can be ignited even in a region outside the combustible range. In the ignition operation, although it is an area outside the flammable range, it can be ignited in an area close to the flammable limit. This is to perform ignition well. In this case, when the air flow rate per unit time [Nl / min] defined by the flammability limit is 100, the flow rate of the reforming fuel (natural gas 13A) is, for example, 40 to 98, particularly 50 to 90 can be set.
触媒燃焼制御部の増量操作は、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量の変化を抑えつつ、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させることにより実行する形態を例示することができる。この場合、増量操作において、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの流量の変化が抑えられているため、燃料ガスの制御が容易である。 The increase operation of the catalytic combustion control unit is performed after the ignition operation or after the ignition determination, while suppressing the change in the flow rate per unit time of the fuel gas supplied to the catalytic combustion unit, and reducing the amount of air per unit time supplied to the catalytic combustion unit. The form performed by making it increase rather than the time of ignition operation can be illustrated. In this case, since the change in the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustion section is suppressed in the increase operation, the control of the fuel gas is easy.
また、触媒燃焼制御部の増量操作は、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量を減少させつつ、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火時よりも増加させることにより実行する形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼部に供給する燃料ガスの流量が減少されるため、触媒燃焼部に供給する空気量の割合を効率よく増加させることができる。 Further, the increase operation of the catalytic combustion control unit increases the amount of air per unit time supplied to the catalytic combustion unit more than the time of ignition while decreasing the flow rate per unit time of the fuel gas supplied to the catalytic combustion unit. The form to be executed can be exemplified. In this case, since the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustion unit is reduced, the ratio of the amount of air supplied to the catalytic combustion unit can be increased efficiently.
増量操作において、触媒燃焼部に担持されている触媒の耐熱温度域に触媒燃焼部の温度が長い時間(例えば30分以上)保持されないように設定されている形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼部に担持されている触媒の熱劣化が抑制され、触媒の長寿命化を図り得る。殊に、増量操作において、触媒燃焼部に担持されている触媒の耐熱温度域よりも触媒燃焼部の温度が低くなるように設定されている形態を例示することができる。 In the increase operation, a mode in which the temperature of the catalyst combustion part is set not to be held for a long time (for example, 30 minutes or more) in the heat resistant temperature range of the catalyst supported on the catalyst combustion part can be exemplified. In this case, thermal deterioration of the catalyst carried on the catalyst combustion part is suppressed, and the life of the catalyst can be extended. In particular, a mode in which the temperature of the catalyst combustion part is set to be lower than the heat resistant temperature range of the catalyst supported on the catalyst combustion part in the increase operation can be exemplified.
なお、着火操作時において、空燃比λは例えば0.10〜0.13に設定することができるが、これに限定されるものではない。増量操作において、空燃比λは例えば0.10〜0.30、0.13〜0.25に設定することができるが、これに限定されるものではない。空燃比λは、可燃性の燃料流量に対する空気流量の比である。また水素は着火エネルギが小さいため、触媒燃焼として水素を使用すれば、低温でも着火できる(着火性良好)。 In the ignition operation, the air-fuel ratio λ can be set to, for example, 0.10 to 0.13, but is not limited to this. In the increase operation, the air-fuel ratio λ can be set to, for example, 0.10 to 0.30 and 0.13 to 0.25, but is not limited thereto. The air-fuel ratio λ is the ratio of the air flow rate to the combustible fuel flow rate. In addition, since hydrogen has low ignition energy, it can be ignited even at low temperatures (good ignitability) by using hydrogen for catalytic combustion.
触媒燃焼部の温度を検知する温度センサ等の温度検知手段が設けられており、温度検知手段で検知される触媒燃焼部の温度が着火操作前よりも設定温度以上越えたとき、触媒燃焼制御部は触媒燃焼部が着火したと判定する形態を例示することができる。この場合、温度センサ等の温度検知手段により着火を確認できる。触媒燃焼部が着火したと判定されないときには、触媒燃焼制御部は異常と判定することができる。 Temperature detection means such as a temperature sensor for detecting the temperature of the catalytic combustion section is provided, and when the temperature of the catalytic combustion section detected by the temperature detection means exceeds the set temperature than before the ignition operation, the catalytic combustion control section Can exemplify a form in which it is determined that the catalytic combustion unit has ignited. In this case, ignition can be confirmed by temperature detection means such as a temperature sensor. When it is not determined that the catalytic combustion unit has ignited, the catalytic combustion control unit can determine that it is abnormal.
本発明によれば、触媒燃焼部により暖機される暖機対象物が設けられている。暖機対象物は、ガス供給部から供給された燃料ガスを浄化させる浄化部とすることができる。この場合、触媒燃焼部は、燃料ガスが流れる流路においてガス供給部と浄化部との間に配設されており、且つ、浄化部を暖機する形態を例示することができる。浄化部としては、燃料ガスに含まれている不純物(例えば一酸化炭素)を低減させる不純物低減部を例示することができる。また、不純物低減部としては、燃料ガスに含まれている一酸化炭素と燃料ガスとを分離させる分離膜を例示することができる。また、不純物低減部としては、燃料ガス中のCOを低減させるCO低減部を例示できる。CO低減部は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させる機能を有するものであればよい。CO低減部は、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を低減させるCO第1低減部と、燃料ガスに含まれている一酸化炭素の濃度を更に低減させるCO第2低減部とを有することができる。CO第1低減部及びCO第2低減部のうちの一方は、COとH2Oとを反応させてCOを低減させる方式を例示することができる。CO第1低減部及びCO第2低減部のうちの他方は、COとO2とを反応させてCOを低減させる方式、COとH2とを反応させてCH4とH2Oを生成しCOを低減させる方式を例示することができる。 According to the present invention, the warm-up object to be warmed up that provided by the catalytic combustion unit. The warm-up object can be a purification unit that purifies the fuel gas supplied from the gas supply unit. In this case, the catalyst combustion part is arrange | positioned between the gas supply part and the purification | cleaning part in the flow path through which fuel gas flows, and can illustrate the form which warms up the purification | cleaning part. As the purification unit, an impurity reduction unit that reduces impurities (for example, carbon monoxide) contained in the fuel gas can be exemplified. Moreover, as an impurity reduction part, the separation membrane which isolate | separates carbon monoxide and fuel gas which are contained in fuel gas can be illustrated. Moreover, as an impurity reduction part, the CO reduction part which reduces CO in fuel gas can be illustrated. The CO reduction part should just have a function to reduce the density | concentration of the carbon monoxide contained in fuel gas. The CO reduction unit includes a CO first reduction unit that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the fuel gas, and a CO second reduction unit that further reduces the concentration of carbon monoxide contained in the fuel gas. Can have. One of the CO first reduction unit and the CO second reduction unit can exemplify a method of reducing CO by reacting CO with H 2 O. The other of the first CO reduction unit and the second CO reduction unit is a method of reducing CO by reacting CO and O 2, and generating CH 4 and H 2 O by reacting CO and H 2. A method for reducing CO can be exemplified.
本発明に係る触媒燃焼装置によれば、浄化部等の暖機対象物が設定温度以上に到達したら、触媒燃焼制御部は、触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させる。暖機対象物が設定温度以上に到達したら、浄化部に対する暖機の必要性が解消されるため、触媒燃焼部で燃焼を継続させなくても良いためである。 According to the catalytic combustion apparatus according to the present invention, when the warm-up object, such as a purifier reaches above the preset temperature, the catalytic combustion control portion, Ru air supply to the catalytic combustion portion is stopped or reduced. This is because if the warm-up target reaches the set temperature or higher, the need for warm-up for the purification unit is eliminated, and combustion does not have to be continued in the catalytic combustion unit.
更にまた、改質部と触媒燃焼部との間に冷却部が設けられている形態を例示することができる。冷却部は、改質部で改質された改質ガスが触媒燃焼部に供給される前に高温の改質ガスを冷却する。ここで、冷却部は、改質部で改質され触媒燃焼部に供給される改質ガスの温度を冷却すると共に、改質部に供給される前の改質原料を加熱する熱交換機能を有する形態を例示することができる。 Furthermore, the form by which the cooling part is provided between the reforming part and the catalyst combustion part can be illustrated. The cooling unit cools the high-temperature reformed gas before the reformed gas reformed in the reforming unit is supplied to the catalytic combustion unit. Here, the cooling unit cools the temperature of the reformed gas reformed in the reforming unit and supplied to the catalytic combustion unit, and has a heat exchange function for heating the reformed raw material before being supplied to the reforming unit. The form which has can be illustrated.
また、燃料ガスに含まれている湿分を低減させる湿分低減手段が触媒燃焼部の上流に設けられている形態を例示することができる。この場合、触媒燃焼の着火性、燃焼性を一層高めることができる。 Moreover, the form by which the moisture reduction means to reduce the moisture contained in fuel gas is provided in the upstream of the catalyst combustion part can be illustrated. In this case, the ignitability and combustibility of catalytic combustion can be further enhanced.
以下、本発明の実施例1を図1〜図4を参照して具体的に説明する。本実施例に係る改質装置は燃料電池発電システムに適用したものである。図1は改質装置のシステム図である。図2は改質装置の要部を模式的に示す図である。図3及び図4は触媒燃焼部を示す。
図1に示すように、燃料電池のスタック1が設けられている。スタック1は燃料電池の複数のセルを積層したものである。セルは、改質ガス(燃料ガス)が供給される燃料極10と、酸化剤としての酸素を含む酸素含有ガスが供給される酸化剤極11と、燃料極10及び酸化剤極11で挟持された電解質膜12とを有する。
As shown in FIG. 1, a
ガス供給装置として機能できる改質装置2は、改質原料を水蒸気改質させることにより水素を主要成分とする改質ガス(燃料ガス)を生成する改質装置(ガス供給部)2と、改質装置2で生成された改質ガスに含まれている不純物としての一酸化炭素を低減させるCO低減部3A(浄化部)とを備えている。改質原料は燃料系原料及び水系原料である。燃料系原料は例えば都市ガス、LPG、灯油、メタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類等の炭化水素系燃料が例示される。
The
図2に示すように、改質装置2は、改質反応を促進させる改質触媒20cを有する改質部20と、燃料系原料及び空気が供給されるバーナ21と、燃料系原料が燃焼する燃焼帯22と、燃焼帯22から伝達された熱により水系原料を蒸発させる蒸発部23とを有する。燃焼帯22の熱は改質部20及び蒸発部23に伝達される。改質部20に設けられている改質触媒20cの活性温度域は、一般的には500〜800℃であるが、これに限られるものではない。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように、バーナ21には燃料系原料と燃焼用の空気とが供給され、燃料系原料の燃焼により改質部20が高温領域に加熱される。改質部20は、下記の式(1)に基づいて、改質原料(燃料系原料と水系原料)とを反応させて水蒸気改質を行い、水素を主要成分とする改質ガスを生成する。改質部20で生成された改質ガスにはCOが副生成物として生じることがある。この場合、COの濃度は一般的には5〜15%であるが、これに限られるものではない。なおCOの濃度はモル%を基準とする。
As shown in FIG. 2, the fuel system material and combustion air are supplied to the
図1に示すように、CO低減部3Aは改質装置2の下流に配設されており、CO第1低減部としてのシフト部3と、CO第2低減部としてのCO浄化部4とで形成されている。シフト部3は、下記の式(2)に基づいてシフト反応を促進させるシフト触媒3cを有する。シフト触媒3cの活性温度域は一般的には200〜300℃であるが、これに限られるものではない。シフト触媒3cは例えば銅−亜鉛系の触媒を主要成分とするが、これに限定されるものではない。
As shown in FIG. 1, the
CO浄化部4は、下記の式(3)に基づいてCOを二酸化炭素に酸化させて低減させる反応を促進させる浄化触媒4c(例えばルテニウム系)を有しており、更に、浄化触媒4cを担持したセラミックス製の担体(例えばアルミナ系)を有する。浄化触媒4cの活性温度域は一般的には100〜200℃であるが、これに限られるものではない。
The
シフト部3で浄化された改質ガスに含まれているCOの濃度は、一般的には0.2〜1%であるが、これに限られるものではない。CO浄化部4で浄化された改質ガスに含まれているCOの濃度は一般的には10ppm以下であるが、これに限られるものではない。
式(1)…CH4+H2O→3H2+CO
式(2)…CO+H2O→H2+CO2
式(3)…CO+1/2O2→CO2
図1に示すように、触媒燃焼させる触媒燃焼部として機能する触媒燃焼部5は、CO低減部としてのシフト部3と改質装置2との間に介在しており、シフト部3を暖機させる暖機部として機能できる。触媒燃焼部5は、改質装置2に連通する入口5sと、シフト部3に連通する出口5eとを有する。触媒燃焼部5は、シフト部3を昇温させやすいように、改質装置2の下流で且つシフト部3の上流側において、シフト部3に隣接して配設されている。つまり、起動時に改質装置2で生成された改質ガスがシフト部3(浄化部)に向けて流れる流路において、改質装置2の下流で且つシフト部3の上流に触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50を配置することにより構成されている。これが触媒燃焼部本体昇温促進手段を構成する。
The concentration of CO contained in the reformed gas purified by the
Formula (1) ... CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO
Formula (2) ... CO + H 2 O → H 2 + CO 2
Formula (3) ... CO + 1 / 2O 2 → CO 2
As shown in FIG. 1, a
起動時には、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の暖機用導入口5iに、改質装置2で生成された改質ガス(燃料ガス)が導入される。よって触媒燃焼部本体50は、改質ガスを燃焼させて燃焼熱を用いてシフト部3(暖機対象物)を起動時に暖機するものである。暖機により、改質ガス中の一酸化炭素をシフト部3において低減させる反応を促進させる。
At start-up, the reformed gas (fuel gas) generated by the
図3及び図4は上記した触媒燃焼部5の概念を示す。触媒燃焼部5は触媒燃焼機能を有するものであり、触媒燃焼させる触媒5c(例えばPt−Pd系)を有する。具体的には、触媒燃焼部5は、触媒燃焼用の触媒5cを担持したセラミックス製の担体(例えばアルミナ)を備えた複数の触媒燃焼部本体50と、複数の改質ガス通路51と、改質ガス通路51を遮蔽する遮蔽部52とを有する。触媒燃焼部本体50は通気性を有しており、改質ガスを燃焼させつつ透過させることができる。触媒5cを担持する担体はペレット状でも、モノリス状でも良い。前述したように、触媒燃焼は、燃料ガスと酸素とを酸化反応させる触媒であり、一般的には無炎燃焼であり(場合によっては有炎燃焼)、燃焼触媒を用いない通常の燃焼に比較して燃焼が安定していると共に燃焼温度が低い。
3 and 4 show the concept of the
図3に示すように、触媒燃焼部5の改質ガス通路51の一端部側の入口5sは改質部20に連通している。改質ガス通路51の他端部側の出口5eはシフト部3に連通している。従って、改質部20で生成された改質ガスは、触媒燃焼部5において、入口5s→改質ガス通路51→出口5eを通過し、シフト部3に向かう。図4に示すように、触媒燃焼部5において、触媒燃焼部本体50と改質ガス通路51とは互いに対面している。これにより改質ガス通路51を通過する高温の改質ガスにより、起動時における触媒燃焼部本体50の昇温速度は高められている。
As shown in FIG. 3, the
本実施例によれば、図1に示すように、改質装置2と触媒燃焼部5との間に冷却部6が設けられている。冷却部6は、改質装置2で改質された改質ガスが触媒燃焼部5に供給される前に高温の改質ガスを冷却するためのものである。ここで、図2に示すように、冷却部6は、改質部20で改質された改質ガスを触媒燃焼部5の改質ガス通路51に向けて供給するガス通路60と、改質部20に供給される前の改質原料(燃料系原料及び水系原料)を通過させる原料通路61を有する。この結果、ガス通路60を通過する改質ガスを冷却すると共に、原料通路61を通過する改質原料を加熱する。このため冷却部6は、改質装置2に供給される前であり温度が相対的に低い改質原料と、改質装置2から吐出された後であり温度が相対的に高い改質ガスとを熱交換させる熱交換部として機能することができる。
According to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
図1を参照して配管系について更に説明を加える。燃料系原料を改質原料としてバーナ21または改質部20に供給する第1通路71が設けられている。第1通路71には、燃料系原料をバーナ21に搬送するポンプ等の搬送要素71mが設けられ、燃料系原料を改質部20に搬送するポンプ等の搬送要素71nが設けられている。更に、水系原料を改質原料として改質部20に供給する第2通路72が設けられている。第2通路72には水系原料を搬送するポンプ等の搬送要素72mが設けられている。空気(酸素含有ガス)を第1バルブ81を介して触媒燃焼部5の暖機用導入口5i側に供給する第3通路73が設けられている。第3通路73には空気を搬送するファン、コンプレッサ、ブロア、ポンプ等の搬送要素73mが設けられている。更に、空気をバーナ21に供給する空気通路76が第3通路73に連通するように搬送要素73xと共に設けられている。空気をスタック1の酸化剤極11に供給する酸化剤通路11kが第3通路73に連通するように搬送要素73wと共に設けられている。
The piping system will be further described with reference to FIG. A
図1に示すように、CO浄化用の空気を第2バルブ82を介してCO浄化部4に供給する第4通路74が設けられている。シフト部3とCO浄化部4とを繋ぐ接続通路77が設けられている。CO浄化部4の出口4p側とスタック1の燃料極10の入口10i側とを第3バルブ83を介して繋ぐ第5通路75が凝縮器87’と共に設けられている。燃料電池のスタック1の燃料極10の出口10p側と改質装置2のバーナ21とを繋ぐ第1リターン通路78が設けられている。第1リターン通路78には、第4バルブ84、凝縮器87、第5バルブ85が直列にスタック1からバーナ21に向かうにつれて順に設けられている。
As shown in FIG. 1, a
図1に示すように、スタック1を迂回するように、CO浄化部4の出口4p側と凝縮器87の入口87i側とを迂回用のバルブ79vを介して繋ぐ第1迂回通路79が設けられている。更に、凝縮器87の出口87p側と触媒燃焼部5の暖機用導入口5i側とを第6バルブ86を介して繋ぐ第2迂回通路80が設けられている。改質ガスを流す第2迂回通路80は、空気用を流す第3通路73と合流部80xで合流する。触媒燃焼部5の暖機用導出口5p側とバーナ21とを繋ぐ第2リターン通路70が設けられている。
As shown in FIG. 1, a
更に、図2を参照して説明を加える。図2に示すように、改質部20は内側部20iと外側部20pと折り返し部20mとを有する。そして燃料電池システムの起動時、つまり、改質装置の起動時には、燃料系原料と燃焼用の空気とをバーナ21に供給しつつバーナ21を着火させ、燃料系原料を改質装置2において燃焼させる。これにより改質部20及び蒸発部23が次第に加熱される。この状態で、燃料系原料と水系原料とが改質部20に供給される。この場合、水系原料は蒸発部23を通過するときに水蒸気化される。水蒸気と燃料系原料とは合流域71sで合流し、冷却部6の原料通路61を介して矢印B2,B3方向に流れ、改質部20の外側部20pに供給される。このように改質原料が冷却部6の原料通路61を通過するとき予熱される。
Further, a description will be added with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the reforming
図2において、上記した改質原料は、改質部20の外側部20pに流入し、外側部20pにおいて矢印B4方向に進み、更に、改質部20の折り返し部20mにおいて矢印B5方向に折り返し、更に、改質部20の内側部20iを矢印B6方向に進む。このように改質原料が改質部20の内部を通過するときに水蒸気改質され、改質ガスが生成される。生成された改質ガスは冷却部6のガス通路60を矢印C1方向に進み、触媒燃焼部5の改質ガス通路51を経てシフト部3に至る。
In FIG. 2, the above-described reforming raw material flows into the
ここで本実施例によれば、上記した式(1)に基づいて水蒸気改質が行われ、COを含む水素リッチな改質ガスが生成される。シフト部3においては、上記した式(2)のシフト反応に基づいて改質ガス中のCOが低減される。CO浄化部4においては、上記した式(3)に基づいて改質ガス中のCOが更に低減される。これによりスタック1での発電反応に適するように、改質ガス中のCOが低減される。
Here, according to the present embodiment, steam reforming is performed based on the above-described formula (1), and hydrogen-rich reformed gas containing CO is generated. In the
ところで、起動時においては、改質部20の温度が低く、改質部20で生成される改質ガスのCO濃度が高く、しかも、シフト部3の温度は低いためこれの活性温度域には到達していない。故にシフト部3によるCO低減効果には限界があり、改質ガスをスタック1での発電に用いるには必ずしも充分ではない。このため起動時においては、改質部20で生成された改質ガスをスタック1に供給することなく、スタック1を迂回させる。つまり、図1に示すように、CO浄化部4を経た改質ガスを迂回用のバルブ79v、第1迂回通路79を介して凝縮器87の入口87iに供給し、凝縮器87において改質ガスを冷却させて、改質ガスに含まれている湿分を凝縮させて、改質ガスに含まれている湿分を低減させる。
By the way, at the time of start-up, the temperature of the reforming
そして、凝縮器87で湿分を低減させた改質ガスを、凝縮器87の出口87p、第6バルブ86、第2迂回通路80を経て触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入する。このとき、第1バルブ81を開放させ、空気を第1バルブ81を介して触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入する。なお本実施例において、改質ガスと空気とは合流域80xで、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入される前に合流するが、この形態に限られるものではない。
Then, the reformed gas whose moisture has been reduced by the
触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入された改質ガスは、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入された空気と共に、触媒燃焼部本体50の内部を矢印E1方向(図4参照)に通過し、触媒燃焼部本体50において触媒5cにより触媒燃焼される。このため触媒燃焼部本体50で燃焼させない方式に比較して、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50を早期に昇温させることができる。この結果、起動時において触媒燃焼部5によりシフト部3を早期に昇温することができる。
The reformed gas introduced into the warming-up
触媒燃焼部5で触媒燃焼された後のオフガスは、触媒燃焼部5の暖機用導出口5pから下流に至り、第2リターン通路70、第1リターン通路78を経てバーナ21に戻される。このオフガスには燃焼成分が含まれている可能性があるが、この燃焼成分はバーナ21で燃焼され、その後、排気される。
The off-gas after catalytic combustion in the
上記したように触媒燃焼部5を触媒燃焼で加熱する暖機運転時には、第3バルブ83、第4バルブ84、第5バルブ85は閉鎖されているものの、迂回用のバルブ79v、第1バルブ81、第6バルブ86は開放されている。なお、上記したように暖機運転時には、一般的には第2バルブ82を閉鎖しておくが、必要に応じて第2バルブ82を開放し、空気をCO浄化部4に供給しても良い。
As described above, during the warm-up operation in which the
起動時から所定時間が経過すれば、改質部20およびシフト部3が次第に加熱され、シフト部3におけるCO低減効果が向上するため、暖機運転から定常運転に移行することができる。定常運転では、第3バルブ83、第4バルブ84、第5バルブ85、第2バルブ82を開放すると共に、迂回用のバルブ79v、第6バルブ86、第1バルブ81を閉鎖する。これにより第1迂回通路79、第2迂回通路80を遮断する。このため定常運転時においては、改質部20で水蒸気改質された改質ガスは、冷却部6、触媒燃焼部5の改質ガス通路51、シフト部3、接続通路77、CO浄化部4、第3バルブ83、第5通路75を順に経て、スタック1の燃料極10の入口10iに供給される。更に、定常運転では酸化剤ガスである空気が酸化剤通路11kのバルブ11vを介してスタック1の酸化剤極11に供給される。これによりスタック1において発電反応が発生し、電気エネルギが生成される。発電に使用された改質ガスのオフガスは、スタック1の燃料極10の出口10p側から、第1リターン通路78、凝縮器87、第5バルブ85を経てバーナ21に供給される。発電に使用された改質ガスのオフガスには燃焼成分が含まれ得るため、この燃焼成分はバーナ21で燃焼された後、排気される。
If the predetermined time has elapsed since the start-up, the reforming
上記した改質装置の起動時においては、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の温度は低く、触媒燃焼部5がシフト部3を暖機させる機能も必ずしも充分ではない。そこで起動時においては改質ガスを触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50に供給して燃焼触媒により燃焼させて触媒燃焼部5を早期に昇温させるものである。
At the time of starting the reformer, the temperature of the catalytic
本実施例によれば、前述したように、改質装置2で生成された改質ガスがシフト部3(浄化部)に向けて流れる流路において、改質装置2の下流で且つシフト部3およびCO浄化部4の上流に、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50を配置することにより、触媒燃焼部本体昇温促進手段が構成されている。このため改質装置2で生成された改質ガスを用いて触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50において燃焼を発生させ、触媒燃焼部本体50を早期に昇温させることができる。
According to the present embodiment, as described above, in the flow path where the reformed gas generated by the
しかも、昇温した触媒燃焼部5の熱を、触媒燃焼部5よりも下流に位置するシフト部3およびCO浄化部4に効果的に伝達させることができる。この結果、起動時においても、シフト部3およびCO浄化部4の昇温速度を早め、シフト部3およびCO浄化部4をこれらの触媒3c,4cの活性温度域に早期に到達させることができ、改質ガスの浄化効率を早期に高めることができる。
In addition, the heated heat of the
また、上記したように触媒燃焼部5を昇温させるときにおいて、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給される改質ガスは湿分を有することが多い。改質ガスは水蒸気改質を経ているためである。このため 改質ガスは飽和蒸気圧相当の湿分を有する可能性がある。更に、凝縮器87から触媒燃焼部5に向かう第2迂回通路80において改質ガスが冷却されるため、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給される改質ガスには湿分が水滴として含まれていることがある。
In addition, when the temperature of the
そこで本実施例によれば、図3及び図4に示すように、触媒燃焼部5において触媒燃焼部本体50の暖機用導入口5i側には、第1ガス接触部材9が設けられている。ここで、触媒燃焼部本体50の暖機用導入口5iは、起動時において改質ガスが第1ガス接触部材9(湿分低減手段)を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体50よりも上流に位置している。また触媒燃焼部本体50の暖機用導出口5pは、起動時において改質ガスが第1ガス接触部材9(湿分低減手段)を介して流れる流路のうち、触媒燃焼部本体50よりも下流に位置している。
Therefore, according to the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the first
図3および図4に示すように、第1ガス接触部材9は、暖機運転時において、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50に供給される改質ガスが衝突して接触する接触部90をもつ邪魔板機能を奏するように板状をなしている。第1ガス接触部材9は、凝縮器87の出口87pから第2迂回通路80を経て供給された改質ガスが流れる通路部分80aに対向している。具体的には、図4に示すように、第1ガス接触部材9は、第2迂回通路80のうち触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに繋がる通路部分80aの軸線P1に対して交差する方向に指向している。つまり、第1ガス接触部材9は第2迂回通路80のうち触媒燃焼部5に繋がる通路部分80aの軸線P1に対して直交する方向に指向している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the first
従って、上記したように改質装置の起動時において、つまり、触媒燃焼部5を昇温させる暖機運転時において、改質ガスが触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入するとき、その改質ガスは第1ガス接触部材9の接触部90に衝突する。従って、改質ガスに含まれている湿分(水蒸気、水滴等)は、第1ガス接触部材9の接触部90に捕獲され、改質ガスから除去される。殊に本実施例によれば、改質ガスが第1ガス接触部材9の接触部90に衝突する衝突角度θ1及びθ2は90度または90度に近いため、衝突性が高く、改質ガスに含まれている水滴の捕獲に有利である。改質ガスが過飽和状態の水蒸気を含むときには、衝突時の衝撃により液化が進行しやすい。本実施例では、第1ガス接触部材9は、起動時において改質ガスの湿分が触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50に付着することを抑制する湿分抑制手段として機能することができる。
Therefore, when the reformed gas is introduced into the warm-
このような本実施例によれば、起動時に、改質ガスに含まれている湿分(水蒸気、水滴等)が触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50、殊に、触媒燃焼部本体50の構成要素である触媒5cの反応サイトに付着することは抑制される。故に、起動時において、触媒燃焼を行う触媒燃焼部本体50における着火性、燃焼性、昇温性を高めることができる。つまり、触媒燃焼部本体50による触媒燃焼を早期に立ち上げ、触媒燃焼部本体50を早期に昇温させることができる。ひいてはシフト部3を早期に昇温させて立ち上げることができる。更に第1ガス接触部材9は、触媒燃焼部5において複数の改質ガス通路51に改質ガスを分散させる機能も奏する。
According to the present embodiment, moisture (steam, water droplets, etc.) contained in the reformed gas at the time of start-up causes the catalytic combustion unit
更に本実施例によれば、図3に示すように、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の上流である暖機用導入口5i側には、上流側湿分貯留部53が設けられている。上流側湿分貯留部53は、触媒燃焼部本体50に供給される改質ガスから捕獲した湿分を貯留する空間53rをもつ。上流側湿分貯留部53の底面53dには第1ガス接触部材9が立設されている。上流側湿分貯留部53の底面53dは、触媒燃焼部本体50の底面50dよりも低い位置に設定されている。従って、第1ガス接触部材9の接触部90に付着した湿分が水滴として流下したとしても、上流側湿分貯留部53の底面53dに溜まるものの、触媒燃焼部本体50に進入することは抑えられる。この意味においても、触媒燃焼部本体50を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体50による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部3を早期に昇温させて立ち上げることができる。
Furthermore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, an upstream
また第2リターン通路70で凝縮した水滴が流下して触媒燃焼部5の下流側に進入するおそれがある。この点について本実施例によれば、図3に示すように、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の下流側である暖機用導出口5p側には、湿分を貯留する空間55rをもつ下流側湿分貯留部55が設けられている。下流側湿分貯留部55の底面55dは、触媒燃焼部本体50の底面50dよりも低い位置に設定されている。このため下流側湿分貯留部55に湿分が液体として貯留されたとしても、その湿分が触媒燃焼部本体50に進入することを抑えることができる。この意味においても、触媒燃焼部本体50を早期に昇温させて、触媒燃焼部本体50による暖機作用を早期に立ち上げることができ、シフト部3を早期に昇温させて立ち上げることができる。暖機用導出口5pは、起動時において改質ガスが第1ガス接触部材9を介して流れる流路において触媒燃焼部本体50よりも上流に位置している。
In addition, water droplets condensed in the
なお、湿分が上流側湿分貯留部53の底面53d、下流側湿分貯留部55の底面55dに液体として溜まるとしても、例えば100cc程度であり、多量ではない。起動時から燃料電池発電システムの定常運転に移行すれば、触媒燃焼部5の上流側湿分貯留部53及び下流側湿分貯留部55は、かなり昇温される。例えば100〜300℃程度に昇温される。このため、起動時に上流側湿分貯留部53の底面53d、下流側湿分貯留部55の底面55dに湿分が溜まったとしても、その湿分は、定常運転時において蒸気化して消失する。故に、湿分が触媒燃焼部本体50に進入することを抑えるのに一層有利となる。
In addition, even if moisture accumulates as a liquid on the
なお、図3及び図4に示すように、触媒燃焼部本体50の下流に設けられている下流側湿分貯留部55には板状の第2ガス接触部材95が立設されている。第2ガス接触部材95は、第2リターン通路70から流下した水が触媒燃焼部本体50に進入することを抑制する。
Incidentally, as shown in FIGS. 3 and 4, the second
さて本実施例の要部について説明を加える。図5は可燃限界と断熱火炎温度との関係を示すグラフを示す。断熱火炎温度は、燃料ガスである改質ガスを断熱状態で完全燃焼させたときにおける火炎の理論温度である。図5の横軸は改質原料としての原料ガス(天然ガス13A)が改質装置2に単位時間当たり供給される流量を示す。図5の一方の縦軸は改質ガスの断熱火炎温度を示す。図5の他方の縦軸は可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。ここで、可燃範囲は、酸化燃焼による火炎が伝播して持続できる条件の範囲をいう。可燃限界は可燃範囲の限界をいう。特性線W1は、可燃限界において単位時間当たり供給される空気流量を示す。図5において特性線W1よりも上の領域は、火炎の伝搬が持続する可燃範囲に相当する。特性線W1よりも下の領域は可燃範囲外に相当する。特性線S1〜S6は、触媒燃焼部5に導入される温度に対応する空気流量(飽和蒸気)を示す。図5において、S1は空気(40℃飽和蒸気)が2NL/minを示す。S2は空気(60℃飽和蒸気)が2NL/minを示す。S3は空気(40℃飽和蒸気)が1.5NL/minを示す。S4は空気(60℃飽和蒸気)が1.5NL/minを示す。S5は空気(40℃飽和蒸気)が1NL/minを示す。S6は空気(60℃飽和蒸気)が1NL/minを示す。またTCは触媒燃焼部本体50の触媒5cの耐熱温度を示し、本実施例では750℃に設定されている。なお触媒の耐熱温度は、触媒の劣化を抑えつつ常用される温度の上限をいい、具体的には、その温度において所定時間(例えば1万時間)保持したとき触媒の反応サイトの数が半分低下となる温度をいう。触媒の耐熱温度は触媒の種類によって相違する。
Now, a description will be given of the main part of the present embodiment. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the flammability limit and the adiabatic flame temperature. The adiabatic flame temperature is the theoretical temperature of the flame when the reformed gas, which is a fuel gas, is completely burned in an adiabatic state. The horizontal axis of FIG. 5 shows the flow rate at which the raw material gas (natural gas 13A) as the reforming raw material is supplied to the reforming
本実施例では、触媒燃焼部5における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部100が設けられている。触媒燃焼制御部100により触媒燃焼部5の触媒燃焼本体部50に対する着火操作および増量操作が実行される。着火操作によれば、触媒燃焼部5の燃焼開始時において、燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域K1(図5)となるように、開放状態の第1バルブ81から空気を、開放状態の第6バルブ86から改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入し、この結果、領域K1内の条件において触媒燃焼部本体50を着火させる。ここで、領域K1は、改質ガスが燃焼しても火炎が発生しない無炎領域に相当ものであり、触媒5cの耐熱温度を示す特性線W1よりも下方の領域に相当する。領域K1は線K2〜K6で区画されている。触媒燃焼の燃焼性は良好であるため、可燃範囲から外れる領域K1であっても、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50を着火させることができる。
In this embodiment, a catalytic
本実施例によれば、触媒燃焼部本体50が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気量を、着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。この場合、当該空気量を、可燃範囲限を示す特性線W1を越えて可燃範囲内となるようにする。ここで、触媒燃焼部本体50の着火の判定としては、触媒燃焼部本体50の温度が着火操作前の温度T1よりもΔTa(例えば80℃)以上昇温したら、触媒燃焼部本体50が着火したと判定することができる。ΔTaは改質ガスの基本組成、触媒5c等の種類に応じて適宜設定できる。
According to this embodiment, after it is determined that the catalytic combustion unit
上記した増量操作時には、第6バルブ86の開度は一定であり、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する燃料ガスの単位時間当たりの流量は、基本的には変化しない。即ち、増量操作では、図5の矢印M1方向に向けて空気を増量させる。このように暖機用導入口5iに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量は基本的には変化しないため、増量操作は簡素化され、制御が容易となる。
During the increase operation described above, the opening degree of the
上記した増量操作においては、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の温度が、触媒燃焼部本体50に担持されている触媒5cの耐熱温度TCを越えないように、あるいは、触媒5cの耐熱温度TCを一時的に越えることがあるとしても、越える頻度が過剰になり過ぎないように設定されている。この結果、触媒燃焼部本体50に担持されている触媒5cの熱劣化が抑制されるため、触媒5cの長寿命化に有利である。なお、触媒燃焼部本体50の温度が触媒5cの耐熱温度TCに到達または接近すると、暖機用導入口5iに供給される空気量を低減させることができる。また、触媒燃焼部50の温度が触媒5cの耐熱温度TCを越えると、暖機用導入口5iに供給される空気量の供給を停止させることができる。
In the above increase operation, the temperature of the catalyst
上記したように本実施例によれば、改質ガスに含まれている可燃成分と空気との比である空燃比が変動するときであっても、あるいは、触媒5cの温度が低い、燃料ガスに水蒸気や水滴などの湿分が存在しているとき等であっても、触媒燃焼部本体50の着火を良好に行うことができる。故に着火時において、触媒燃焼部5よりも下流配管で火炎が発生するといったことを回避でき、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の燃焼の制御に容易となる。更に、着火した後、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の燃焼を良好に行うことができるため、触媒燃焼部5における発熱量を確保するのに有利となる。
As described above, according to this embodiment, even when the air-fuel ratio, which is the ratio between the combustible component contained in the reformed gas and air, fluctuates, or when the temperature of the
図6は触媒燃焼制御部100が実行する制御のフローチャートの一例を示す。制御はこのフローチャートに限定されるものではない。まず、改質原料である燃料系原料、水系原料を改質装置2に供給する(ステップS102)。これにより改質装置2により改質ガスが生成される。改質ガスが触媒燃焼部5の改質ガス通路51を通過するため、触媒燃焼部本体50は次第に昇温される。次に、触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が第1設定温度T1(T1:例えば90℃)以上か否か判定する(ステップS104)。なお触媒5cが低温すぎるときには、燃焼触媒の着火は起こりにくいため、触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が第1設定温度T1に到達していなければ、温度が低すぎるため、第1設定温度T1に到達するまで待機する。従って、ステップS104は、触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が着火に適する温度であるか否かを判定する着火適温判定手段を構成する。
FIG. 6 shows an example of a flowchart of control executed by the catalytic
触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が第1設定温度T1以上であれば、第6バルブ86を開放させ、改質ガスを第2迂回通路80を介して触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する(ステップS106)。一定時間経過した後(ステップS108)、第1バルブ81を開放させ、空気を触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給し(ステップS110)、触媒燃焼部5を着火させる着火操作を行う。なお、改質ガスを暖機用導入口5iに供給した後に、暖機用導入口5iに空気を供給するのは、無用な着火防止のためである。従って、ステップ106,S108,S110は、燃料ガスを空気よりも優先して触媒燃焼部5に供給する燃料ガス優先手段を構成する。
If the temperature of the
そして、シフト部3の測温場所が第2設定温度T2(T2:例えば170℃)以下であるか否か判定する(ステップS112)。以上であれば、シフト部3の活性化が充分であり、シフト部3の暖機が必要でないと判定されるため、メインルーチンにリターンする。シフト部3の測温場所が第2設定温度T2未満であれば、シフト部3の活性化が充分ではなく、シフト部3を暖機させる必要があり、ひいては触媒燃焼部5の昇温が必要であると判定される。従ってステップS112は、触媒燃焼部5を昇温させてシフト部3を暖機させる必要性があるか否かを判定する暖機必要性判定手段を構成する。
And it is determined whether the temperature measurement place of the
そして、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が第1設定温度T1よりもΔTa(ΔTa:例えば80℃)上昇したか否か判定する(ステップS114)。第1設定温度T1よりもΔTa上昇していれば、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の触媒5cが着火したと判定し、着火判定信号を出力する(ステップS116)。従ってステップS114は、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50における着火の有無を判定する着火判定手段を構成する。その後、第1バルブ81の開放度を増加するか、搬送要素73mの空気搬送量を増加させることにより、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気の流量を増加させ(ステップS118)、増量操作を行う。これにより触媒燃焼部5における触媒燃焼性が進み、発熱量が確保される。
Then, it is determined whether or not the temperature of the
次に、触媒燃焼部5に装備されている温度センサ50x(温度検知手段)により、触媒燃焼部5の温度が触媒燃焼部本体50の触媒5cの耐熱温度TC以下であるか否か判定する(ステップS120)。触媒燃焼部5の温度が触媒燃焼部本体50の触媒5cの耐熱温度TCを越えていれば、触媒5cを保護するため、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iへの空気の供給を停止させ(ステップS126)、触媒燃焼部5による暖機運転を停止させる。従って、ステップS120,S126は、触媒燃焼部5の触媒5cを熱的に保護する触媒保護手段を構成する。
Next, it is determined whether or not the temperature of the
また、シフト部3の暖機が終了したか否か判定する(ステップS124)。つまり、シフト部3の測温場所が第2設定温度T2以上であるか否か判定する。第2設定温度T2以上であれば(YES)、シフト部3の暖機が終了したと判定されるため、暖機用導入口5iへの空気の供給を停止させ(ステップS126)、触媒燃焼部5による暖機運転を停止させ、メインルーチンにリターンする。シフト部3の測温場所が第2設定温度T2未満であれば(NO)、シフト部3の暖機がまだ終了していないため、ステップS120にリターンし、暖機用導入口5iへの空気の供給を継続させ、増量操作を継続させる。従ってステップS124は、触媒燃焼部5による暖機運転を終了する時期を判定する暖機終了判定手段を構成する。
Further, it is determined whether or not the warm-up of the
ステップS114において、触媒燃焼部5の触媒燃焼部本体50の触媒5cの温度が第1設定温度T1よりもΔTa上昇していないときには、触媒燃焼部本体50が着火していないと推定されるので、上記した着火操作時から一定時間経過したか判定し(ステップS130)、一定時間経過していなければ、ステップS114に戻り、着火の有無の判定を継続する。一定時間経過しても着火していなければ、燃料電池発電システムが異常であると判定し(ステップS132)、当該システムを停止させる(ステップS134)。従ってステップS114,S130は触媒燃焼部5の着火不良を判定する着火不良判定手段を構成する。
(試験例)
この試験例では、バーナ21に供給される改質原料の天然ガス(13A)を0.8NL/minに設定し、第1バルブ81を経て暖機用導入口5iに供給される空気を1.0NL/minに設定した。この条件は図5において点R1として示される。点R1は、可燃範囲から外れる領域K1内であるものの、可燃限界を示す特性線W1の近くに設定されている。そして着火(触媒燃焼部本体50の温度がΔTa以上上昇したこと)を確認した後、第1バルブ81を経て暖機用導入口5iに供給される空気を1.5NL/min(図5において点R2)に増量させる増量操作を行なった。これにより触媒燃焼部5における発熱量を確保した。このようにすれば、安全性と着火性との両立に有利である。
In step S114, when the temperature of the
(Test example)
In this test example, the natural gas (13A) of the reforming material supplied to the
実施例2は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図1〜図5を準用することができる。以下、実施例1と異なる部分を中心として説明する。本実施例においても、触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部5の燃焼開始時において、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域K1内における点R3の条件となるように、開放状態の第1バルブ81から空気を、開放状態の第6バルブ86から改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入し、触媒燃焼部本体50を着火させる。
The second embodiment basically has the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. Therefore, FIGS. 1 to 5 can be applied mutatis mutandis. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. Also in the present embodiment, the catalytic
そして触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部本体50の着火を判定した後に、図5の矢印M2に示すように、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行し、図5における点R4に移行させる。この場合、点R4で規定される当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線W1を越えて可燃範囲内に設定されている。
Then, after determining the ignition of the catalytic combustion unit
本実施例では、図5の矢印M2に示すように、空気の増量と共に、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を減少させる。この場合、触媒燃焼部5に供給する改質ガスの流量が減少されるため、触媒燃焼部5に供給する空気量の割合を効率よく増加させることができる。但し、実施例1と同様に、上記した増量操作において、増量操作前に対して、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を変化させないこともできる。
In the present embodiment, as indicated by an arrow M2 in FIG. 5, the flow rate per unit time of the reformed gas supplied to the warm-
実施例3は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。従って図1〜図4を準用することができる。以下、実施例1と異なる部分を中心として説明する。本実施例においては、図7に示すように、触媒燃焼部本体50の触媒5cの耐熱温度TCは950℃に設定されている。触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部5の燃焼開始時において、火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域K1内における点R5の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入し、領域K1内における点R5の条件で触媒燃焼部本体50を着火させる。
The third embodiment has basically the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. Accordingly, FIGS. 1 to 4 can be applied mutatis mutandis. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the heat-resistant temperature TC of the
そして触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部本体50の着火を判定した後に、図7の矢印M3に示すように、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図7における点R6に移行させる。する。この場合、当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線W1を越えて可燃範囲内となるように維持される。着火時よりも空気量が増量されているため、触媒燃焼部5における発熱量は確保される。
Then, the catalytic
また他の制御形態として、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域K1内における点R7の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入し、触媒燃焼部本体50を着火させる。そして、触媒燃焼部本体50の着火を判定した後に、図7の矢印M4に示すように、空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図7における点R8に移行させる。この場合、点R8で規定される当該空気量は、可燃範囲限を示す特性線W1を越えて可燃範囲内に設定されている。但し、実施例1と同様に、上記した増量操作において、増量操作前に対して、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する改質ガスの単位時間当たりの流量を変化させないこともできる。
As another control mode, the air and the reformed gas are heated by the
また他の制御形態として、可燃範囲から外れる領域K1内における点R9の条件となるように、空気および改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入し、触媒燃焼部本体50を着火させる。そして、触媒燃焼部本体50の着火を判定した後に、図7の矢印M5に示すように空気量を着火時よりも増加させる増量操作を実行し、図7における点R10に移行させる。この場合、点R9、点R10で規定される当該空気量は特性線W1を越えず、可燃範囲から外れる領域K1内に設定されている。
As another control mode, air and reformed gas are introduced into the warm-
図8及び図9は実施例4を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例1と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、図8及び図9に示すように、ヒータ59は点火機能をもつグロープラグであり、触媒燃焼部本体50から露出している本体59aと、触媒燃焼部本体50の内部に埋設されている埋設加熱部59bとを有する。埋設加熱部59bは耐食性が良好な材料で形成されていることが好ましい。ヒータ59の埋設加熱部59bは、給電により発熱して着火を行う。グロープラグは着火時に定格以上の電圧を印加してもよいし、定格以内の電圧を印加してもよい。
8 and 9 show a fourth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. In this embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the
ヒータ59の埋設加熱部59bは、暖機運転時に改質ガスが流れる流路において、触媒燃焼部本体50の上流域50uに局部的に配設されている。従ってヒータ59が作動すれば、埋設加熱部59bにより触媒燃焼部本体50のうちの上流域50uがピンポイント的、つまり局部的に集中して加熱される。この結果、改質ガスに含まれているCO等の不純物の濃度が高いときであっても、または、改質ガスに含まれている湿分(水蒸気、水滴)が多いときであっても、触媒燃焼の着火源を形成し易い利点が得られる。水素リッチな改質ガスは触媒燃焼部本体50の上流域50uから下流域50dに向けて流れるため、着火後に、触媒燃焼を触媒燃焼部本体50の上流域50uから下流域50dに向けて効率よく伝播させることができる。故に、着火性を高めつつ、触媒燃焼部本体50の全体を触媒燃焼させるのに有利である。定常運転に移行すれば、ヒータ59はオフとされる。
The embedded
なお、図10に示すように触媒燃焼部5には複数個の触媒燃焼部本体50が設けられており、各触媒燃焼部本体50の着火性を確保すべく、各触媒燃焼部本体50の上流50uにヒータ59が取り付けられている。但し、全部の触媒燃焼部本体50にヒータ59を取り付けるのではなく、一部の触媒燃焼部本体50のみにヒータ59を取り付けることにしてもよい。更に、図8に示すように、触媒燃焼部5に導入される改質ガスに含まれている水滴等の湿分を捕獲する第1ガス接触部材9がヒータ59の上流に配置されているため、ヒータ59の保護性が高まる。
As shown in FIG. 10, the
本実施例によれば、グロープラグで形成されているヒータ59を点火させることにより、触媒燃焼部本体50を着火させることができる。本実施例においても、触媒燃焼制御部100により触媒燃焼部5の触媒燃焼本体部50に対する着火操作および増量操作が実行される。着火操作によれば、触媒燃焼部5の燃焼開始時において、火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域K1となるように、開放状態の第1バルブ81から空気を、開放状態の第6バルブ86から改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入する。そして、領域K1内の条件においてヒータ59を点火させることにより、触媒燃焼部本体50を着火させる。触媒燃焼部本体50が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。
According to the present embodiment, the catalytic combustion unit
図10は実施例5を示す。本実施例は実施例1と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、実施例1と異なる部分を中心として説明する。本実施例では、触媒燃焼部本体昇温促進手段は、図10に示すように、触媒燃焼用の触媒燃焼部本体50を加熱する電気式のヒータ97(カートリッジヒータ)で構成されている。ヒータ97は触媒燃焼部本体50を間接的に加熱するように触媒燃焼部本体50の近傍に位置して触媒燃焼部本体50の外側において、触媒燃焼部本体50の上方となるように配置されている。必要に応じて、ヒータ97を触媒燃焼部本体50の横方または下方となるように配置してもよい。ヒータ97は、触媒燃焼部本体50を流れる水素リッチな改質ガスの流れ方向(矢印E1方向)に沿って延設された長さLAを有しており、触媒燃焼部本体50の上流50uから下流50dにかけて延設されている。長さLAは触媒燃焼部本体50の長さのうちの50〜120%、60〜100%を占める形態を例示することができる。本実施例では、触媒燃焼部本体50が間接加熱されるため、触媒燃焼部本体50の局所的な過剰加熱を抑えるのに有利であり、触媒燃焼部本体50の全体を均一的に加熱するのに有利であり、触媒燃焼部本体50における無炎燃焼に貢献できる。
FIG. 10 shows a fifth embodiment. The present embodiment basically has the same configuration and the same function and effect as the first embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 10, the catalyst combustion part main body temperature increase promoting means is constituted by an electric heater 97 (cartridge heater) for heating the catalyst combustion part
本実施例においても、触媒燃焼制御部100により触媒燃焼部5の触媒燃焼本体部50に対する着火操作および増量操作が実行される。即ち、前記した領域K1となるように、改質ガスを触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに導入する。そして、領域K1内の条件においてヒータ97の発熱により触媒燃焼部本体50を着火させる。触媒燃焼部本体50が着火したと判定された後に、触媒燃焼制御部100は、触媒燃焼部5の暖機用導入口5iに供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作を実行する。
Also in the present embodiment, the catalytic
(その他)
上記した燃料電池発電システムは定置用でも車載用でも、それ以外の用途でも良い。上記した実施例は改質装置は燃料電池発電システムに適用したものであるが、これに限らず、水素製造システム等の他のシステムに適用してもよい。
(Other)
The fuel cell power generation system described above may be stationary, in-vehicle, or used for other purposes. In the above-described embodiment, the reformer is applied to a fuel cell power generation system. However, the present invention is not limited to this and may be applied to other systems such as a hydrogen production system.
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
(付記項1)改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部に連通して配設され改質部で生成された改質ガスを浄化する改質ガス浄化部とを具備する改質装置において、改質部の起動時に改質ガス浄化部を暖機する触媒燃焼部本体を有する触媒燃焼部と、触媒燃焼部本体の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部とを具備しており、触媒燃焼制御部は、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部本体を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行することを特徴とする燃料電池発電システム。
(付記項2)改質原料を改質させて改質ガスを生成する改質部と、改質部に連通して配設され改質部で生成された改質ガスを浄化する改質ガス浄化部と、改質ガス浄化部を経た改質ガスが供給される燃料電池とを具備する燃料電池発電システムにおいて、改質部の起動時に改質ガス浄化部を暖機する触媒燃焼部本体を有する触媒燃焼部と、触媒燃焼部本体の触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部とを具備しており、
触媒燃焼制御部は、改質ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において触媒燃焼部本体を着火させる着火操作と、着火操作後あるいは着火判定後に、触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行することを特徴とする燃料電池発電システム。
The following technical idea can also be grasped from the above description.
(Additional Item 1) A reforming unit that reforms a reforming raw material to generate a reformed gas, and a reformed gas that is disposed in communication with the reforming unit and purifies the reformed gas generated in the reforming unit. In a reformer having a purifying unit, a catalytic combustion unit having a catalytic combustion unit body for warming up the reformed gas purification unit when the reforming unit is started, and catalytic combustion control for controlling catalytic combustion of the catalytic combustion unit body The catalytic combustion control unit includes an ignition operation for igniting the catalytic combustion unit main body in a region outside the combustible range in which the reformed gas and air burn while generating a flame, and after or after the ignition operation. After the determination, a fuel cell power generation system that performs an increase operation for increasing the amount of air per unit time supplied to the catalyst combustion unit as compared with that during the ignition operation.
(Additional Item 2) A reforming unit that reforms a reforming raw material to generate a reformed gas, and a reformed gas that is disposed in communication with the reforming unit and purifies the reformed gas generated in the reforming unit. In a fuel cell power generation system comprising a purification unit and a fuel cell to which reformed gas passed through the reformed gas purification unit is supplied, a catalytic combustion unit body for warming up the reformed gas purification unit when the reforming unit is started And a catalytic combustion control unit that controls catalytic combustion of the catalytic combustion unit main body,
The catalytic combustion control unit supplies the catalytic combustion unit with an ignition operation for igniting the catalytic combustion unit main body in a region outside the combustible range in which the reformed gas and air burn while generating a flame, and after the ignition operation or after the ignition is determined. A fuel cell power generation system that performs an increase operation for increasing the amount of air per unit time to be greater than that during the ignition operation.
本発明は触媒燃焼装置に利用することができる。例えば、触媒燃焼装置を有する水素製造システム、触媒燃焼装置を有する燃料電池発電システムに利用することができる。 The present invention can be used in a catalytic combustion apparatus. For example, it can be used for a hydrogen production system having a catalytic combustion device and a fuel cell power generation system having a catalytic combustion device.
1はスタック、10は燃料極、11は酸化剤極、2は改質装置、20は改質部、3はシフト部(浄化部,暖機対象物)、4はCO浄化部(浄化部)、5は触媒燃焼部、5cは触媒、50は触媒燃焼部本体、50xは温度センサ(温度検知手段)、51は改質ガス通路、57は暖機通路、59はヒータ、59bは埋設加熱部、6は冷却部、60はガス通路、61は原料通路、79は第1迂回通路、87は凝縮器、100は触媒燃焼制御部を示す。 1 is a stack, 10 is a fuel electrode, 11 is an oxidizer electrode, 2 is a reformer, 20 is a reforming unit, 3 is a shift unit (purification unit, warm-up target), 4 is a CO purification unit (purification unit) 5 is a catalyst combustion section, 5c is a catalyst, 50 is a catalyst combustion section main body, 50x is a temperature sensor (temperature detection means), 51 is a reformed gas passage, 57 is a warm-up passage, 59 is a heater, 59b is an embedded heating section. , 6 is a cooling unit, 60 is a gas passage, 61 is a raw material passage, 79 is a first bypass passage, 87 is a condenser, and 100 is a catalytic combustion control unit.
Claims (7)
前記ガス供給部に連通して配設され前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、
前記触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、前記触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、
前記触媒燃焼制御部は、
燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において前記触媒燃焼部を着火させる着火操作と、
着火操作後に、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、前記増量操作において、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの前記燃料ガスの流量を前記増量操作前に対して変化させず、
前記暖機対象物が設定温度以上に到達したら、前記触媒燃焼制御部は、前記触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とする触媒燃焼装置。 A gas supply unit for supplying fuel gas;
A catalytic combustion apparatus comprising a catalytic combustion section disposed in communication with the gas supply section and carrying a catalyst for catalytic combustion of the fuel gas;
A catalytic combustion control unit that controls catalytic combustion in the catalytic combustion unit, and a warm-up object warmed up by the catalytic combustion unit,
The catalytic combustion control unit
An ignition operation for igniting the catalytic combustion unit in a region outside the combustible range in which fuel gas and air burn while generating a flame;
After the ignition operation, an increase operation for increasing the amount of air per unit time supplied to the catalyst combustion unit as compared with that during the ignition operation is performed, and in the increase operation, per unit time supplied to the catalyst combustion unit Without changing the flow rate of the fuel gas before the increase operation,
When the warm-up target reaches a set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit.
前記ガス供給部に連通して配設され前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒を担持する触媒燃焼部とを具備する触媒燃焼装置において、
前記触媒燃焼部における触媒燃焼を制御する触媒燃焼制御部と、前記触媒燃焼部により暖機される暖機対象物とを具備しており、
前記触媒燃焼制御部は、
燃料ガスと空気とが火炎を生成しつつ燃焼する可燃範囲から外れる領域において前記触媒燃焼部を着火させる着火操作と、
着火判定後に、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの空気量を着火操作時よりも増加させる増量操作とを実行し、且つ、前記増量操作において、前記触媒燃焼部に供給する単位時間当たりの前記燃料ガスの流量を前記増量操作前に対して変化させず、
前記暖機対象物が設定温度以上に到達したら、前記触媒燃焼制御部は、前記触媒燃焼部への空気の供給を停止又は減少させることを特徴とする触媒燃焼装置。 A gas supply unit for supplying fuel gas;
A catalytic combustion apparatus comprising a catalytic combustion section disposed in communication with the gas supply section and carrying a catalyst for catalytic combustion of the fuel gas;
A catalytic combustion control unit that controls catalytic combustion in the catalytic combustion unit, and a warm-up object warmed up by the catalytic combustion unit,
The catalytic combustion control unit
An ignition operation for igniting the catalytic combustion unit in a region outside the combustible range in which fuel gas and air burn while generating a flame;
After the ignition determination, an increase operation is performed to increase the amount of air per unit time supplied to the catalyst combustion unit as compared to that during the ignition operation, and in the increase operation, per unit time supplied to the catalyst combustion unit Without changing the flow rate of the fuel gas before the increase operation,
When the warm-up target reaches a set temperature or higher, the catalytic combustion control unit stops or reduces the supply of air to the catalytic combustion unit.
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